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Verfahren zur Steuerung mechanisch schwingungsfähiger Gebilde Eine
bekannte Schwierigkeit beim Betrieb schwingungsfähiger Gebilde besteht darin, daß
sich der Ausschlag (bzw. die Amplitude) während des Betriebes ändert. Diese Ausschlagsänderungen
sind auf zwei Ursachen zurückzuführen, und zwar einerseits auf Tourenschwankung
,des antreibenden Elektromotors, hervorgerufen .durch Spannungs- oder Frequenzänderungen,
oder andererseits auf Widerstands- bzw. Dämpfungsschwankungen. In Fällen, wo die
Dämpfung eine genügende Konstanz aufweist, konnte man daher, wie bekannt geworden
ist, .eine ausreichende Konstanz des Ausschlages durch genaue Tourenreglung des
Motors erzielen, dagegen versagte diese Methode in all jenen Fällen, wo schwingungsfähige
Arbeitsmaschinen mit veränderlicher Dämpfung betrieben werden sollten.
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Andere Methoden, z. B. zur Steuerung eines schwingungsfähigen Primärsystems
durch ein Sekundärsystem, haben sich für gewisse Zwecke, u. a. für Vorrichtungen
zur Zeitmessung (Uhren), sehr gut bewährt, sind aber für leistungsübertragende Maschinen
viel zu teuer und mit Schwebungserscheinungen, die bei größeren Maschinen Erschütterungsstörungen
hervorrufen können, behaftet. Ferner hat man versucht, eine Steuermethode für schwingungsfähige
Gebilde auszuarbeiten, die auf der Änderung des Phasenwinkels beruht; aber auch
dieses Verfahren reichte wegen seiner Trägheit und ungenügenden Präzision für leistungsübertragende
Maschinen mit stark und rasch wechselnder Dämpfung nicht aus. Schließlich hat man
eine Steuerung schwingender Systeme dadurch zu .erzielen versucht, daß man die schwingende
Masse zwang, bei genügend starker Ausschlagsvergrößerung einen Regulierwiderstand
einzuschalten, der immer wieder durch eine elastische gedämpfte Rückzugsvorrichtung
selbsttätig ausgeschaltet wird. Auch diese Methode kann ihrer Trägheit und stufenweisen
Regelung wegen nur für Spezialfälle als ausreichend angesehen werden, um so mehr,
als namentlich bei schnellschwingenden Systemen die Einschaltung von Widerstand
durch plötzlichen Stoß unzulässige Geräusche und Störungen hervorruft.
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Der Erfindungsgegenstand ist geeignet, schwingende Systeme innerhalb
gewisser Grenzen in bezug auf ihren Ausschlag (die Amplitude) mit großer Genauigkeit
zu steuern, wobei es gleichgültig ist, ob Spannungs-, Frequenz- oder Dämpfungsschwankungen
in der Anlage auftreten. Mit anderen `'orten: Die der vorliegenden Erfindung zugrunde
liegende Vorrichtung reguliert in ausschließlicher Abhängigkeit von der Amplitude
des schwingungsfähigen Gebildes den Antriebsmotor auf konstante Umlaufszahl, wenn
die störenden Momente auf Spannungs- oder Frequenzänderung beruhen und sie steigert
oder verringert die Umlaufszahl des Antriebsmotors nach Bedarf, wenn die Störung
auf Dämpfungsschwankung beruht.
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Abb. i stellt beispielsweise eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
dar.
Der Hebel i, der um eine Achse A-A pendelt oder an einer Feder
2 nachgiebig befestigt ist, trägt eine periodisch wirkende Kontaktfeder 3 mit -den
beiden Kontakten 4 und 5. An seinem vorderen Ende, welches hin und her gehende Bewegungen
auszuführen vermag, kann der Hebel i mit einer beliebigen schwingenden Masse 6 so
verbunden werden, daß er .deren Ausschläge nach Frequenz und Schwingungsweite mitzumachen
gezwungen ist. Es kann dies z. B. .dadurch geschehen, daß ein Streifen 7 aus Leder,
nachgiebigem Metallblech o. dgl. auf zwei Klötzchen 8 und 9 an der schwingenden
Masse 6 befestigt wird und gleichzeitig mit .dem Hebel i verbunden ist. Stellt man
nun die Kontakte 1o und I I so ein, daß sie die Kontakte 5 und 4 in dem Augenblick
berühren müssen, wo der gewünschte Ausschlag der schwingenden Masse überschritten
wird, so kann man für ein kurzes Zeitintervall auf elektrischem Wege eine Wirkung
hervorbringen, die zur Amplitu.densteuerung, wie in folgendem dargestellt, ausgenutzt
werden kann. Man unterbricht beispielsweise einen Magnetstromkreis des antreibenden
Nebenschlußmotors und schaltet, wie dies zum Zwecke der Tourenregulierung in der
Regel geschieht, einen je nach der beabsichtigten Beeinflussung gewählten Widerstand
12 in die Unterbrechungsstelle. Der Widerstand 12 kann auch seinerseits stufenweise
oder kontinuierlich änderbar sein, um nachträglich eine Justierung vorzunehmen.
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Von den Enden des Widerstandes führt man nun das eine zu :den Kontakten
1o und I 1 und -das andere zu dem schwingenden Hebel i bzw. zu dem Doppelkontakt
4 und 5, so daß der Widerstand 12 bei jeder Amplitudenüberschreitun.g für einen
kleinen Moment kurzgeschlossen, also unwirksam gemacht wird. Bedenkt man nun, daß
,durch das Einschalten des Widerstandes 12 zunächst eine Feldschwächung und damit
ein Schnellerlaufen des Nebenschlußmotors erzielt wird, so erkennt man natürlich
umgekehrt, daß durch jeden vorübergehenden Kurzschluß und die daraus folgende Feldverstärkung
der Motor eine kleine Hemmung erfährt, ,daß der Motor also durch solche wiederholten
Hemmungen bei feinster Dosierung in Summe herunterreguliert wird, wenn man ihn vorher
absichtlich auf eine zur Erzielung der gewünschten Amplitude etwas zu hohe Umlaufszahl
eingestellt hat. Mit anderen Worten: Man kann je nach Wahl des Widerstandes 12 angesichts
der Tatsache, daß bei jeder Amplitudenüberschreitung eine kurze Hemmungsperiode
eingeschaltet und bei Unterschreitung .dem Motor die Tendenz zur Umlaufssteigerung
gegeben wird, deswegen einen Gleichgewichtszustand von hoher Präzision schaffen,
weil schwingende Systeme meist viele Hunderte, oft Tausende von Schwingungen pro
Minute ausführen und bei jeder Schwingung zweimal korrigierend im einen oder anderen
Sinne; also in jeder Minute viele hundert-oder tausendmal eingegriffen wird. Mit
anderen Worten: Der Schwingungsvorgang steuert in Abhängigkeit von dem Ausschlag
der Amplitude die Energiezufuhr bzw. die Uinlaufszahl auf dynamischem Wege durch
Dosierung der Aus- oder Einschaltzeiten von Widerständen.
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Von besonderer Bedeutung ist es, daß im vorliegenden Falle, wo der
Schwingungsvorgang zur Schließung und Öffnung .der Kontakte verwendet wird, beliebige
relativ große öffnungswege benutzt werden können, so daß Schwierigkeiten durch auftretende
Funken nicht zu befürchten sind und besonders Unterbrechungsvorrichtungen, deren
man sich bei Stromunterbrechungen sonst zuweilen bedient, nicht oder nur in ganz
besonderen Fällen erforderlich sind.
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Während in Ablh. i ein Steuerrelais für mechanisch schwingende Systeme
in zwei Ansichten veranschaulicht ist, welches bei Gleichstrom - Nebenschluß - Antriebsmotoren
Verwendung findet, ist in Abb. : ein solches Steuerrelais dargestellt, welches die
bei Wechselstrom - Antriebsmotoren erforderlichen Abänderungen zeigt.
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Verwendet man beispielsweise einen Wechselstromschleifringmotor, so
muß man bekanntlich, um denselben: Effekt zu erzielen, die bei Gleichstrom z. B.
das Einschalten eines Widerstandes in den Nebenschluß notwendig macht, ein Herausnehmen
von Widerstand aus dem Ankerkreis vornehmen, und umgekehrt, .d. h. man muß bei steigender
Amplitude anstatt schließen unterbrechen. Der hierzu erforderliche Mechanismus.
ist in Abb. 2 und 3 zur Darstellung gebracht Der schwingende Hebel i ist in bezug
auf Befestigung, Gestalt und Art der Bewegung identisch mit demjenigen der Abb.
i. Dagegen sind an Stelle der Kontakfeder 3 zwei Kontaktfedern 3 und 3' vorgesehen,
die .durch zwei Arme 16 und 17, die mit Anschlagrollen 2o, 21 aus geeignetem weichem
Material (Fiber usw.) versehen sind, bei Amplitudenv ergrößerung abgehoben werden.
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Die Kontakte io und i i sind einstellbar, und die Kontakböcke 14 und
15 sind durch eine metallische Verbindung kurzgeschlossen.
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Da die beiden Außenpole eines vor die Ankerwicklung geschalteten Widerstandes
12 über die Federböcke 18, i9 und die Kontakte 4, 5, 1o und i i über die Kontaktböcke
14, 15 kurzgeschlossen sind, so muß bei jeder Unterbrechung dieses Kurzschlusses
der Widerstand 12 in Funktion treten und den
Motor vorübergehend
hemmen. Theoretisch müßten bei Drehstrom alle drei Phasen etwa durch drei Relais
gesteuert werden. Praktische Versuche haben jedoch gezeigt, daß es durchaus genügt,
nur an einer Phase hemmend zu wirken.
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Die vorliegende Methode zur Steuerung mechanischer schwingungsfähiger
Gebilde beruht also auf der dynamischen Beeinflussung der dein Antriebsmotor zugeführten
Energie, und zwar findet die Beeinflussung statt durch zeitweiligen Kurzschluß oder
.durch zeitweilige Unterbrechung einer Kurzschlußleitung von Widerständen in Abhängigkeit
von dem Ausschlag der Amplitude des schwingun:gsfähigen Gebildes. Wird der Ausschlag
größer und größer, so. vergrößert sich auch zeitlich entsprechend der durch die
Kontaktvorrichtung verursachte hemmende Impuls auf die Energiequelle, so daß ein
Gleichgewichtszustand zwischen den Ursachen, die auf eine Amplitudenvergrößerung
hinwirken, einerseits und der Energiequelle andererseits herbeigeführt wird. Natürlich
kann die beschriebene Steuer- bzw. Reguliervorrichtung auch bei Anwendung beliebiger
anderer Kraftmaschinen (Verbrennungsmotore, Dampfmaschinen, Turbinen usw.) verwendet
werden, wenn man die beschriebenen und dargestellten Mittel relaisartig auf die
Energiezufuhr der betreffenden Kraftmaschine in an sich bekannter Weise wirken läßt.